可穿戴型下肢助力機器人控制分析

對可穿戴型助力機器人控制策略進(jìn)行分析。  根據研究目的及人體結構和功能的特殊性和復雜性，通過(guò)將人體下肢作適當簡(jiǎn)化及必要的假設，提出基于骨-肌肉功能模型的下肢助力機器人控制方法，該方法通過(guò)對骨-肌肉模型中的彈性系數和阻尼系數的調節能為人體下肢運動(dòng)提供助力支持。  同時(shí)，通過(guò)人-機間交互力信息實(shí)現人體下肢的運動(dòng)預判。

利用機器增強人類(lèi)肌肉的力量和感知能力，同時(shí)保留人的靈活性和直接操作的感覺(jué)是機器人研究領(lǐng)域之一。  人體的所有運動(dòng)都與力及其控制有關(guān)，助力系統利用特定裝置給人提供一定的力補償，降低人自身能量的消耗，或是對那些有異樣運動(dòng)行為的人提供治療或矯形。

根據助力對象的不同，可穿戴型助力機器人可分為兩類(lèi)：1)直接式：直接給使用者提供動(dòng)力，如下肢助力、背部助力及上肢助力等，這種情況下，助力裝置的運動(dòng)需超前于人體相應的運動(dòng)。  2)間接式：分擔使用者的勞動(dòng)負荷，諸如背負的重物、搬運的貨物等，從而達到減輕使用者勞動(dòng)強度的目的，這種模式需要機器與使用者同步運動(dòng)。

由于助力裝置基本是剛性體，整體柔順性差，這樣人與裝置運動(dòng)時(shí)會(huì )造成不協(xié)調與不自然，這便涉及到關(guān)節自由度的確定及其驅動(dòng)問(wèn)題。  在運動(dòng)辨識上，國外多數采用肌電信息作為人體運動(dòng)信息的檢測方法，這就要求搞清人體各肌肉塊的功能，選擇最能反應人體運動(dòng)狀況的肌肉塊，但很多動(dòng)作通常是靠肌肉群來(lái)完成，一塊肌肉的收緊與松弛并不能完成全部動(dòng)作，這給電極的安放及信號的提取帶來(lái)很大的困難，肌電信號是人體的生理反映，它會(huì )受到人自身狀況及環(huán)境因素的影響，如汗液的分泌、衣服厚薄、松緊等。  通過(guò)對國內外可穿戴型助力機器人的研究現狀進(jìn)行分析，結合多維力傳感器方面的研究成果，提出基于人-機交互力信息的運動(dòng)信息獲取方法及肌肉功能模型的控制方法。

1 人體運動(dòng)的描述和人體簡(jiǎn)化模型

人是人-機-環(huán)境系統中的主導因素。 在人體運動(dòng)位置檢測中，高速攝影機實(shí)地拍攝是最常用的方法。  由于這種方法是非接觸式的記錄，因此不影響人的實(shí)際運動(dòng)，最能真實(shí)反映人的實(shí)際運動(dòng)情況。  對于該文的研究來(lái)說(shuō)，上述檢測系統顯得過(guò)于龐大，且受到空間的約束，顯然不適用。  因此，采用一種即實(shí)用又簡(jiǎn)捷的運動(dòng)信息檢測系統是該文研究中必要環(huán)節。從研究方法來(lái)說(shuō)，對對象進(jìn)行研究離不開(kāi)對對象進(jìn)行合理的抽象，當分析各種動(dòng)作時(shí)，姿勢分析特別是人體各部分之間的相對位置分析是關(guān)鍵，將特定時(shí)刻各個(gè)關(guān)節點(diǎn)的位置連接起來(lái)，就能形成棍狀鏈式結構，將人體下肢簡(jiǎn)化為一個(gè)多桿多關(guān)節棍狀鏈式結構，也就是一個(gè)具有有限運動(dòng)自由度的系統，如圖  1 所示，以此結構作為計算模型對人體各部的運動(dòng)和整體運動(dòng)進(jìn)行運動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。 表 1 為各關(guān)節活動(dòng)度信息。

2 運動(dòng)分析

髖關(guān)節及膝關(guān)節的協(xié)調屈伸運動(dòng)是實(shí)現人行走功能的前提，助力機器人的助力腿可以看作為一個(gè)串聯(lián)機構。 它是由一系列連桿通過(guò)轉動(dòng)關(guān)節串聯(lián)而成的。  通過(guò)自主軌跡規劃，助力機構可以完成類(lèi)似雙足機器人的動(dòng)作，如行走、跨越障礙等動(dòng)作。表 2 為各桿 D-H 參數和關(guān)節變量。

由表 2 中的參數，可求出末端的位姿矩陣：

(1)

當步行助力機器人提供  100%助力時(shí)，這意味著(zhù)助力機器人系統完全成為一個(gè)搭載器，對于下肢助力機器人來(lái)說(shuō)，人的下肢就是其負載，人體下肢各段分散于裝置各段連桿之上，這點(diǎn)與普通操作臂型機器人不同(負載主要集中在末端)。  圖 2 為人體下肢與機器人混合圖，圖 3 為機器人的機械結構效果圖。由圖 2 中參數，利用二階拉格朗日方法得髖關(guān)節和膝關(guān)節處力矩 T1和  T2的動(dòng)力學(xué)方程式：

(2)

其中： D 系數是與質(zhì)量、速度、加速度等有關(guān)的函數。

3 人體下肢運動(dòng)預判

步行助力機器人與使用者通過(guò)束帶緊密結合在一起，形成一個(gè)高度自動(dòng)化的人-機一體化系統。 此系統要實(shí)時(shí)地獲得使用者的運動(dòng)信息。  用于運動(dòng)信息采集的典型傳感器有：sEMG(表面肌電傳感器)、肌肉壓力傳感器及關(guān)節角度傳感器等。

研究中，考慮對應于人體三維運動(dòng)在裝置和人體間適當地配置測力點(diǎn)，根據各測力點(diǎn)感受到的人體運動(dòng)時(shí)的多維力導向信息，以及事先設定的參考值，判斷下一刻動(dòng)作是屈或伸，完成由人-機交互信息到使用者運動(dòng)意圖的推理，這樣就不同于通過(guò)捆綁于人體上的肌電傳感器及角度儀用于檢測人體運動(dòng)信息的方法。

4 仿小腿肌肉功能模型的下肢助力機器人控制分析

英國著(zhù)名生理學(xué)家希爾(Hill A V)提出了一個(gè)由三個(gè)元素組成的肌肉結構力學(xué)模型，又稱(chēng)三元素模型，用此反應肌肉的功能。  隨著(zhù)對人體結構逐步深入的認識，不同的模型及分析方法被提出。

人體運動(dòng)系統是由骨骼和固著(zhù)在骨上的肌肉組成的，肌肉的收縮和舒張牽動(dòng)骨骼，使人體能夠進(jìn)行各種運動(dòng)。  由于人體結構和功能的特殊性和復雜性，將人體下肢作適當簡(jiǎn)化及必要的假設后，對人體下肢建立其功能模型，圖 4 為下肢的小腿部分骨-肌肉功能模型。  這里，骨骼簡(jiǎn)化為棍狀結構體，肌肉簡(jiǎn)化為由彈簧-阻尼組成的阻抗模型。 其中： k 和 c  分別表示彈性系數和阻尼系數，并忽略了由摩擦力和機械傳動(dòng)阻力引起的未知干擾，模型的運動(dòng)方程為：

其中： M 為肌肉產(chǎn)生的力矩[N·m]，I 為轉動(dòng)慣量 [kg·m2]，β 為關(guān)節角加速度 [rad/s2]，ω 為關(guān)節速度 [rad/s]，θ  為關(guān)節角度 [rad]。

肌力的產(chǎn)生是由肌肉的收縮和舒張所引起的，由力矩定義可知：

其中：

其中： x 表示肌肉在收縮與舒張中的長(cháng)度變量，由圖 4 可知，x 可按下式計算：

人在行走時(shí)，主要是通過(guò)髖關(guān)節及膝關(guān)節的屈伸運動(dòng)來(lái)實(shí)現其行走功能，雙腿的擺動(dòng)多分布于矢狀面內。  助力機器人的助力機器臂可以看作為一個(gè)開(kāi)式運動(dòng)鏈，它是由一系列連桿通過(guò)轉動(dòng)關(guān)節串聯(lián)而成，開(kāi)鏈的一端固定在腰帶上，末端安裝有特別制作的金屬鞋底，髖關(guān)節及膝關(guān)節屈伸運動(dòng)由伺服電動(dòng)機驅動(dòng)，關(guān)節的相對運動(dòng)導致連桿的運動(dòng)，使助力腿完成類(lèi)似人的下肢步行動(dòng)作。

步行助力機器人與人體下肢通過(guò)束帶緊密聯(lián)系在一起，如圖 5  所示，步行助力機器人的最終運動(dòng)是通過(guò)位于使用者與裝置間的各測力點(diǎn)感受到的人體運動(dòng)時(shí)的多維力信息來(lái)完成自主運動(dòng)，不需要任何操縱臺或外部控制設備，形成一個(gè)高度自動(dòng)化的人-機混合系統。  助力機器人要達到助力的功能，首先，對使用者下肢運動(dòng)預判;其次，助力裝置除克服自身動(dòng)力矩(主要由裝置自身重量引起的重力矩)外，還要降低人體肌肉對關(guān)節所能產(chǎn)生的力作用，即降低肌力，從而達到助力的目的。  結合裝置自身的動(dòng)力矩，對式(3)進(jìn)行如下調整：

其中： Mexoskeleton是對外骨骼裝置進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析后的關(guān)節動(dòng)力矩; μ 為修正因子;助力機器人連桿裝置的轉動(dòng)慣量計算如下：

近似計算人體各段轉動(dòng)慣量的公式如下：

其中： X1為體重[kg]; X2為身高[cm]; Bi0，Bi1，Bi2為二元回歸方程系數。

同時(shí)，角加速度可表示如下：

其中： dt 可以近似地認為是實(shí)際控制系統中的控制采樣周期 T ，即 dt =·T ，整理合并后可得：

式(7)所確立的力與角速度間的對應關(guān)系式是建立在人體肌肉功能模型之上，是形成系統伺服規則的重要依據。 5 實(shí)驗

實(shí)驗以原型樣機為對象，利用人-機間的交互力傳感器進(jìn)行人-機行走實(shí)驗，除使用者手拿一個(gè)緊急停止按鈕外，整個(gè)過(guò)程由計算機獨立控制，無(wú)任何操縱桿或控制面板。 圖  6 是人-機混合系統控制框圖，圖7 是單腿混合助力系統運動(dòng)時(shí)的輸出響應曲線(xiàn)。 圖7  中，根據人-機間交互力的方向與外骨骼助力機器人關(guān)節旋轉方向的關(guān)系，把系統的每個(gè)往復運動(dòng)分為過(guò)渡和助力兩個(gè)階段，由圖 7  可知，助力階段所占比例越大，則助力效果就越明顯。 通過(guò)進(jìn)一步調節控制模型中的彈性系數及阻尼系統可以改變過(guò)渡和助力兩個(gè)階段的相對占有時(shí)間。

a:右小腿

b:右大腿

6 結語(yǔ)

實(shí)驗表明，基于人體肌肉功能模型的控制方法可以為人體下肢運動(dòng)提供助力支持，該方法與假想柔順控制方法相比，可降低系統對人-機交互信息的依賴(lài)性，但此方法需要提供必要的人體參數，如下肢各段的長(cháng)度、各段的轉動(dòng)慣量等，因此它對人體模型的準確性要求較高?！爸Χ嗌佟笔菍χπЧ钪苯拥恼J定，是助力機器人重要性能指標之一，“助力多少”依賴(lài)于助力階段與過(guò)渡階段之間的相對占有時(shí)間，對“助力多少”的確定將是作者下一步研究的內容。